Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД. Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов.
Описание и свойства [ править | править код ]
Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).
Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]
Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.
Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.
Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.
Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.
Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.
Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).
Механизм действия пьезоэлемента
Основа здесь — это блок пьезоэлемента, который отправляет от кнопки силу давления на сам пьезоэлемент. Основная составляющая пьезоэлемента — пьезокристалл. Это пластинка, вырезанная из кварцевого кристалла. Ее функция — механическую деформацию превращать в электрическое напряжение. Пластинка очень твердая, способна выдержать значительные изгибы и сжатия и выдавать высокое напряжение. При плавном нажатии на кристалл, выдаваемое напряжение будет невелико, но оно будет длительным. При нажатии на кристалл с той же силой, но быстро и мгновенно — выдаваемое напряжение сильнее, но оно будет моментальным. Поэтому для создания искры в пьезозажигалке используется это свойство кристалла. Для изменения силы удара с плавного на резкий в зажигалке имеется механизм: упругая пружина, которая находится под кнопкой пьезозажигалки. Нажимая на кнопку — сжимается и пружина. После нажатия на кнопку до конца — пружина отодвигает рычажок, на который она опирается. После этого пружина резко распрямляется. На другом конце пружины расположен металлический молоточек, который при раскрытии пружины с огромной скоростью ударяет в кристалл. На обратной стороне кристалла имеется металлическая подкладка, которая не дает кристаллу сдвинуться от движения молоточка. В результате получается мгновенный и сильный удар по кристаллу, который вызывает искру. Пьезоэлемент из зажигалки: что можно сделать? Умельцы научились применять его в ремонте (точнее, в «убийстве») смартфонов или мобильных телефонов. Сразу же появляется логичный вопрос: а зачем индивиду со здоровой нервной системой ломать свой смартфон? Ситуация может быть разной. Кто-то желает сдать телефон по гарантии, так как он ему уже разонравился. Кто-то просто решил приколоться над дружком.
Описание и свойства [ править | править код ]
Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).
Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]
Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.
Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.
Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.
Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.
Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.
Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).
История [ править | править код ]
В 1950—1960-е года в СССР изучением пьезоэлектричества занимался Всесоюзный научно-исследовательский институт пьезооптического минерального сырья, который издавал ежегодные научные труды.
Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики
), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется
прямым пьезоэлектрическим эффектом
и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.
Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект
, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.
Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.
Принцип работы
Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.
Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.
Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.
Свойства пьезокерамики
Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.
По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.
и , (1)
Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:
, (2)
- где – диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
- t
– расстояние между электродами, м, - S
– площадь электрода, м 2 , - C
– емкость, Ф
Пьезоэлектрический генератор электрической мощности
Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем. За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания. Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты. То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности. Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором. Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось. Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами. По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом. По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:
В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом. То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3. Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас. Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры. Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса. При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.
Производство пьезоэлементов
Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую Кюри точку (
Использование пьезоэлемента для других целей
- в качестве источника высокого напряжения в опытах по физике,
- для вывода из строя домашней электроники ( это уже хулиганство!), щелкнув несколько раз по металлическим разъемам техники , мало вероятно, что кто-то догадается в чем причина поломки, так как это будет выглядеть как пробой,
- умельцы могут сделать магнитную пушку. Вот пример изготовления минипушки:
ОСТОРОЖНО! Не направлять в лицо, не стрелять в людей!
Необходимые материалы для изготовления минипушки: 1. любая бутылка
2. корпус шариковой ручки
3. пьезоэлемент из старой зажигалки 4. термоклей 5. ножницы 6. спрей для волос
Шаг 1: Берем ручку и вынимаем колпачки с 2—ух сторон.
Шаг 2: Собираем минипушку.
Сначала берем бутылку от лекарства и делаем отверстие для того чтобы вставить
туда корпус авторучки, далее с использованием термоклея делаем соединение
герметичным.
Затем ножницами делаем два отверстия в боковой части бутылки из—
под лекарства, там будут проходить провода пьезоэлемента.
Затем помещаем пъезолемент с проводами в отверстия, приклеиваем
с использованием термоклея пьезоэлемент и провода к бутылке.
Шаг 3: Испытания. Берем спрэй для волос и распыляем 2 раза по 2— сек. внутрь бутылки.
Сделаем небольшие пульки из скатанных бумажек и помещаем их внутрь емкости.
Далее нажимаем на кнопку пьезоэлемента
и наши бумажные пульки отлетают на достаточное расстояние!
Также вы можете посмотреть и видео изготовления минипушки:
- неоновый фонарик: при подсоединении контактов зажигалки к неоновой лампе, после запуска искры — реально увидеть, как в лампе происходят разряды тока и разгорание лампы. Видео:
- можно вывезти из строя домофон ( лучше не портить общественное имущество!),
- можно сделать минишокер, сняв предварительно защиту,
Настоящего электрошокера сделать не получится, а вот подшутить над одноклассниками — вполне реально.
Как сделать слабый шокер своими руками в домашних условиях с использованием пьезоэлемента?
Еще один способ изготовления мини электрошокера, для этого потребуется: — пьезоэлемент (вынутый из зажигалки), — металлическая ручка, — фольга, — пассатижи.
Разбираем ручку, все детали ручки должны быть металлические. Выводной провод тока пьезоэлемента подкручиваем и вставляем в стержень пасты. И далее собираем, как показано на видео. А дальше можете подшутить над другом — предложить ему попользоваться вашей ручкой. Ток будет слабым, а эффект от неожиданности — очень сильным!
- можно попробовать сделать микросварку,
- можно искрой нанести надписи,
- можно сделать устройство активной охраны.
Удачных вам экспериментов, друзья.
Применение пьезокерамики
Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента
обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.
В генераторах
, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.
Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!
В сенсорах
, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.
В силовых приводах
, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.
В преобразователях
, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].
